Que é un láser criogénico

O concepto de láseres que funcionan a baixas temperaturas non é novo: o segundo láser da historia foi crioxénico. Inicialmente, o concepto era difícil de lograr o funcionamento a temperatura ambiente e o entusiasmo polo traballo a baixa temperatura comezou na década de 1990 co desenvolvemento de láseres e amplificadores de alta potencia.

En alta potenciafontes láser, os efectos térmicos como a perda de despolarización, a lente térmica ou a flexión do cristal láser poden afectar o rendemento dofonte de luz. A través do arrefriamento a baixa temperatura, pódense suprimir de forma eficaz moitos efectos térmicos nocivos, é dicir, o medio de ganancia debe arrefriarse a 77K ou incluso 4K. O efecto de arrefriamento inclúe principalmente:

A condutividade característica do medio de ganancia está moi inhibida, principalmente porque o camiño libre medio da corda aumenta. Como resultado, o gradiente de temperatura cae drasticamente. Por exemplo, cando a temperatura baixa de 300K a 77K, a condutividade térmica do cristal YAG aumenta nun factor de sete.

O coeficiente de difusión térmica tamén diminúe drasticamente. Isto, xunto cunha redución do gradiente de temperatura, ten como resultado un efecto de lente térmica reducido e, polo tanto, unha menor probabilidade de rotura por tensión.

O coeficiente termo-óptico tamén se reduce, reducindo aínda máis o efecto térmico da lente.

O aumento da sección transversal de absorción do ión de terras raras débese principalmente á diminución do ensanchamento causado polo efecto térmico. Polo tanto, a potencia de saturación redúcese e aumenta a ganancia do láser. Polo tanto, a potencia límite da bomba redúcese e pódense obter pulsos máis curtos cando o interruptor Q está funcionando. Ao aumentar a transmitancia do acoplador de saída, pódese mellorar a eficiencia da pendente, polo que o efecto de perda da cavidade parasitaria faise menos importante.

O número de partículas do nivel baixo total do medio de ganancia de case tres niveis redúcese, polo que se reduce a potencia de bombeo limiar e mellórase a eficiencia energética. Por exemplo, Yb:YAG, que produce luz a 1030 nm, pódese ver como un sistema de case tres niveis a temperatura ambiente, pero un sistema de catro niveis a 77K. Er: O mesmo é certo para YAG.

Dependendo do medio de ganancia, a intensidade dalgúns procesos de extinción reducirase.

Combinado cos factores anteriores, o funcionamento a baixa temperatura pode mellorar moito o rendemento do láser. En particular, os láseres de refrixeración a baixa temperatura poden obter unha potencia de saída moi elevada sen efectos térmicos, é dicir, pódese obter unha boa calidade do feixe.

Unha cuestión a ter en conta é que nun cristal láser criorefrixerado, o ancho de banda da luz irradiada e da luz absorbida reducirase, polo que o intervalo de sintonización da lonxitude de onda será máis estreito e o ancho de liña e a estabilidade da lonxitude de onda do láser bombeado serán máis estritos. . Non obstante, este efecto adoita ser raro.

O arrefriamento crioxénico adoita empregar un refrixerante, como nitróxeno líquido ou helio líquido, e idealmente o refrixerante circula por un tubo unido a un cristal láser. O líquido refrixerante requírese a tempo ou recíclase nun circuito pechado. Para evitar a solidificación, adoita ser necesario colocar o cristal láser nunha cámara de baleiro.

O concepto de cristais láser que funcionan a baixas temperaturas tamén se pode aplicar aos amplificadores. O zafiro de titanio pódese usar para facer un amplificador de retroalimentación positiva, a potencia de saída media en decenas de vatios.

Aínda que os dispositivos de arrefriamento crioxénico poden complicarsesistemas láser, os sistemas de refrixeración máis comúns adoitan ser menos sinxelos, e a eficiencia do arrefriamento crioxénico permite unha certa redución da complexidade.